Date(s) : 21/06/2019 iCal
13 h 30 min - 15 h 30 min
Soutenance de thèse
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Approche non-linéaire du monitoring de forage : un espoir de progrès pour la commande en surface ?
L’activité de forage, incontournable dans la société moderne, a un coût quotidien très élevé. Afin d’en optimiser la durée, il est primordial d’éviter et prévenir tout incident lors du forage, ce qui passe notamment par le contrôle des efforts appliqués sur l’outil en forage : le poids sur l’outil WOB (pour Weight On Bit) et le couple à l’outil TOB (Torque On Bit). Ces efforts ne sont généralement pas mesurés, encore moins en temps réel. Ils doivent donc être estimés à partir de mesures disponibles en surface, même lorsque les trajectoires de puits deviennent complexes, ce que ne permet pas la méthode standard dans l’industrie.
Au cours de cette thèse, une fonction de transfert non-linéaire entre les efforts délivrés au train de tiges en surface et ceux qui parviennent à l’outil au fond du puits a ainsi été développée. Elle introduit un modèle mécanique de frottements tiges/puits, dont l’utilisation exige de connaître la trajectoire du puits et ses dérivées spatiales avec fiabilité jusqu’à l’ordre 4 (!). Or, les méthodes traditionnelles pour estimer la trajectoire du puits ont des estimations de ses dérivées très variées les unes par rapport aux autres.
Afin de pallier ces divergences, une méthode de lissage non-linéaire de la trajectoire d’un puits a été introduite. Basée sur l’analyse multirésolution de la trajectoire, elle garantit la convergence simultanée d’un polygone et de ses différences divisées vers une fonction régulière et ses dérivées. Grâce à ce lissage, le modèle de frottement peut être appliqué à différents jeux de données recueillis sur des forages réels. Le lissage de la trajectoire du puits améliore l’ajustement des coefficients de frottement le long du puits par le modèle de frottement. In fine, ces coefficients permettent, au travers du modèle de frottements, une meilleure estimation des efforts à l’outil en forage que la méthode standard.
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Non-linear approach to drilling monitoring: a hope of progress for surface control?
Drilling is a central activity in our modern society to provide enough energy while the needs are constantly growing. Related daily costs are very high, and therefore it is critical to optimize drilling durations, which can be realized by preventing any drilling malfunction. Controlling the efforts applied on the drilling bit is one way to check that the optimal conditions while drilling are gathered. These efforts, called Weight On Bit (WOB) and Torque On Bit (TOB), also allow to estimate the Mechanical Specific Energy (MSE), which is the energy required by the bit to drill one unit volume of rock. The objective is to minimize such energy all along the drilling. Then it is important to estimate the MSE in real-time to detect any malfunction while drilling if the MSE becomes too high.
However, the bit is usually thousands of meters distant from the drilling floor, which makes it difficult to measure the efforts endured by the bit directly near the bit, and even more difficult to monitor them in real-time at the surface. To control them, it is necessary to estimate them by another way, using the only useful and available measurements at the surface. Excellence Logging already developed a method to estimate WOB and TOB in real-time, but the validity of this method is not ensured, in particular when the wellbore trajectory is complex. Throughout this thesis, a nonlinear transfer function has then been developed to estimate the bottom efforts transmitted to the bit from the surface efforts provided to the drillstring, considering the trajectory inherent singularities.
Chapter 1 introduces the equations of the friction model used and developed in this thesis, after a bi- bliographical and critical study of the existing methods to estimate WOB and TOB. This study includes the references method, used by Excellence Logging, as well as the friction models also called “Torque and Drag” (or T&D). Chapter 1 also contains the critical study of the existing reconstruction methods to estimate the wellbore trajectory. A comparison of those methods is realized to determine which one allows the best trajectory derivatives estimates, which are essential to properly apply the friction model.
Chapter 2 introduces a trajectory smoothing method mathematically analyzed, which provides bet- ter spatial derivatives estimates. As the smoothing must consider the singularities of the trajectory to smooth, the method must be nonlinear. After an introduction to Multiresolution Analysis, the smoothing method is then introduced and analyzed. It ensures simultaneous convergences of a polygon and its di- vided differences towards a C∞(R) function and its derivatives. The smoothing process is then validated on a theoretical curve and applied on a real wellbore trajectory considering ideal surface measurements.
Chapter 3 is dedicated to the improvement of the surface pipe tension estimation. This parameter is not measured at surface, it is estimated through another measurement realized on the drillstring hoisting system. While hoisting or lowering the drillstring, this measurement must be carefully converted into the surface pipe tension, which is not currently the case. After a bibliographical study of the existing models to correctly process the conversion, a real-time conversion procedure is proposed and then applied to a dataset for validation.
The methods developed in both Chapters 2 and 3 are then implemented and applied on several da- tasets all along the Chapter 4. Without measurements at bit, a proper validation cannot be undertaken, so WOB and TOB are estimated through several drilling depths intervals using the developed friction model and then compared to the estimations provided by the references method.
Then, Chapter 5 concludes this thesis by listing the realized developments. Improvements and limits of the new transfer function are mentioned, as well as prospects for this work in order to improve once more the validity of the transfer function.
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*Membres du jury :
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– Monsieur Jacques LIANDRAT, Professeur des Universités, Centrale Marseille-I2M, Marseille, France, directeur de thèse.
– Monsieur Frédéric LEBON, Professeur des Universités, Aix-Marseille Université, Marseille, France.
– Monsieur Christian GOUT, Professeur des Universités, INSA Rouen, France.
– Monsieur Philippe DUFOURCQ, Enseignant-chercheur, Centrale Supélec, Gif-sur-Yvette, France, directeur de thèse.
– Monsieur Jacques LESSI, Directeur scientifique, Excellence Logging, Colombes, France, directeur de thèse.
– Madame Isabelle RAMIÈRE, Ingénieur de Recherche, CEA, Aix en Provence, France.
– Madame Mickaele LE RAVALEC, Chef de département IFPEN, Rueil-Malmaison, France.
– Monsieur Bruno COCHELIN, Professeur des Universités, Centrale Marseille, Marseille, France.
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Liens :
– theses.fr
– Fiche de l’ED184
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